某小型高速巡邏艇總體設(shè)計(jì)

趙健

（海軍駐上海地區(qū)艦炮系統(tǒng)軍事代表室，上海 200135）

摘 要：本文介紹了某小型高速巡邏艇的總體設(shè)計(jì)過(guò)程，重點(diǎn)從艇的主尺度、線型、總布置及外形、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及船機(jī)槳匹配性方面進(jìn)行了詳細(xì)論述，為類似船型設(shè)計(jì)提供一些參考經(jīng)驗(yàn)。

關(guān)鍵詞：船型優(yōu)化、船機(jī)槳匹配、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：U662.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

1 前言

該艇是一型出口型交通巡邏艇，主要用于出口某國(guó)海岸交通運(yùn)輸、巡邏警戒任務(wù)。目前已出口交付多艘，獲得了用戶的一致好評(píng)。

2 主尺度設(shè)計(jì)

2.1 艇長(zhǎng)

本艇設(shè)計(jì)傅氏數(shù)Fr～0.65，屬于高速船范疇，增加艇長(zhǎng)，可有效改善阻力，因此在滿足設(shè)計(jì)任務(wù)書要求的前提下，兼顧總體布置的基礎(chǔ)上，盡量增加艇長(zhǎng)。

2.2 型寬

型寬在一定航速下，型寬小的艇快速性能明顯優(yōu)于型寬大的艇。該艇的型寬設(shè)計(jì)首先以滿足機(jī)艙布置和穩(wěn)性（該艇穩(wěn)性要求按近海航區(qū)校核）為前提，盡量選擇小型寬來(lái)改善阻力性能，同時(shí)控制寬吃水比，改善橫搖性能。

2.3 型深

型深對(duì)穩(wěn)性及適航性有較大影響，該艇型深在滿足穩(wěn)性和底艙布置的前提下，在艇中前部設(shè)計(jì)有400 mm的半升高甲板，有效改善了首部甲板上浪以及主船體艙室布置空間。

2.4 排水量

該艇排水量小，航速性能受排水量變化異常敏感，因此控制重量是該艇設(shè)計(jì)中一個(gè)首要問(wèn)題，本著“以輕代重、件件不漏、設(shè)備從簡(jiǎn)”的原則，開(kāi)展艇的設(shè)計(jì)建造工作。

該艇最終確定的主要參數(shù)如下：

總長(zhǎng)： 26.80 m；

型寬： 4.40 m；

型深： 2.50 m；

設(shè)計(jì)排水量： ～55 t；

設(shè)計(jì)航速： 19.5 kn；

續(xù)航力： 700 n mile/17 kn；

航區(qū)： 沿海航區(qū)。

3 線型設(shè)計(jì)

3.1艇型

該艇擬采用高速圓舭船型，以提升阻力性能。

3.2尾型

高速圓舭艇一般采用方尾，方尾能使水流平直有力地脫離船體，減少水流彎曲，降低能量損失；同時(shí)尾板相對(duì)寬度（尾板寬度/型寬）b/B也是影響高速排水型艇的阻力性能參數(shù)之一，b/B值過(guò)小，會(huì)導(dǎo)致艇剩余阻力系數(shù)Cr增大。項(xiàng)目組采用CFD方法對(duì)b/B對(duì)艇阻力性能影響進(jìn)行了分析，一定范圍內(nèi)的b/B對(duì)艇阻力性能并不“敏感”。b/B在65%，航速低于14 kn時(shí)的阻力性能最佳；當(dāng)b/B在75%，航速大于14 kn時(shí)的阻力性能更佳，最終b/B確定為75%。

3.3 浮心位置

對(duì)于該型高速圓舭艇來(lái)說(shuō)，浮心縱向位置LCB在船舯后（1～5）%均是合適的。項(xiàng)目組采用CFD方法對(duì)LCB位置對(duì)艇阻力性能影響進(jìn)行了分析，LCB在舯后3%，航速大于18 kn阻力性能更佳。該艇最終LCB確定為舯后3%。

3.4 線型

綜合前面線型優(yōu)化的研究結(jié)果，該艇線型在母型船基礎(chǔ)上進(jìn)行了適應(yīng)性修改，修改后的橫剖面線型圖圖1所示：

（1）排水量長(zhǎng)度系數(shù)C△

排水量長(zhǎng)度系數(shù)C△=△/（0.1L）3，該系數(shù)是影響剩余阻力的重要參數(shù)，在一定傅氏數(shù)Fr下，剩余阻力直接與C△成正比關(guān)系。如增加 C△值，則艇體粗短，興波阻力增大?？梢?jiàn)在既定艇長(zhǎng)條件下，重量控制得越好，阻力性能越佳。該艇C△=3.52。在瑞典SSPA圓舭艇 C△=1.96～4.63[1]范圍之內(nèi)，比較合理。

（2）方形系數(shù)Cb

通常圓舭艇的Cb比較小，主要是力爭(zhēng)艇體瘦削，減少剩余阻力。但Cb過(guò)小，將導(dǎo)致B/T減小，濕面積增加，影響阻力性能。故在合理選定排水量長(zhǎng)度系數(shù)的基礎(chǔ)上，適中選擇Cb=0.42。

（3）棱形系數(shù)Cp

該系數(shù)是影響快艇性能的重要參數(shù)之一。該艇前體處于較強(qiáng)的興波區(qū)，同時(shí)方尾本身又需要較大的排水體積，所以要求艇體兩端適度半滿，以改善快速性和耐波性。針對(duì)該艇航速，棱形系數(shù)一般推薦值在0.62-0.65范圍，該艇取Cp=0.643，亦屬合理。

4 總布置及外部造型

該艇總布置原則：充分利用有限空間、合理布置、通風(fēng)采光好、使用功能與造型協(xié)調(diào)統(tǒng)一。船體艙室的劃分布置，除了滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及不沉性之外，還要保證艇良好的浮態(tài)。內(nèi)部裝修要求簡(jiǎn)潔明快，色彩滿足船東有關(guān)要求，家具擺設(shè)緊湊適用，駕駛室視野開(kāi)闊，保證為船員提供一個(gè)舒適的工作、休息環(huán)境。

在外觀設(shè)計(jì)上，通過(guò)對(duì)甲板室及桅桿等外形進(jìn)行了優(yōu)化改進(jìn)，首部增加局部舷墻，使艇的整體外形更加簡(jiǎn)潔美觀，具有時(shí)代感，見(jiàn)圖2。

5 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

該艇為高速巡邏艇，在保證結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的前提下，盡可能減少結(jié)構(gòu)重量。為節(jié)省結(jié)構(gòu)重量，本艇甲板室采用鋁合金結(jié)構(gòu)，與鋼質(zhì)主船體及機(jī)艙棚的連接采用鋼鋁復(fù)合材進(jìn)行連接。甲板室圍壁及甲板采用輕型鋁質(zhì)攪拌摩擦焊接帶筋板，在減輕結(jié)構(gòu)重量的同時(shí)，又大大減少板架焊接的焊縫數(shù)量，從而很好的解決鋁質(zhì)薄板構(gòu)件焊接變形影響甲板室美觀的問(wèn)題。

為防止結(jié)構(gòu)有害振動(dòng)，對(duì)舵機(jī)艙、機(jī)艙區(qū)域進(jìn)行了局部振動(dòng)計(jì)算。根據(jù)計(jì)算，在強(qiáng)度滿足規(guī)范要求的基礎(chǔ)上對(duì)舵機(jī)艙區(qū)域的船底縱骨及肋板結(jié)構(gòu)進(jìn)行加強(qiáng)，提高該區(qū)域結(jié)構(gòu)振動(dòng)固有頻率與激勵(lì)頻率錯(cuò)開(kāi)的儲(chǔ)備。該艇實(shí)際使用中船體振動(dòng)情況良好，艇員工作、生活的舒適度得到保證。

6 船機(jī)槳匹配性

小型快艇通常采用高速柴油機(jī)，因?yàn)樗哂畜w積小、重量輕、轉(zhuǎn)速高、功率大、進(jìn)氣管（下轉(zhuǎn)第頁(yè)）（上接第頁(yè)）

道要求空間小、排氣背壓高、可由兩舷排氣等優(yōu)點(diǎn)，使總體設(shè)計(jì)有較大的靈活性。

該艇采用2機(jī)2槳推進(jìn)，主機(jī)選用的是河南柴油機(jī)重工有限公司生產(chǎn)的TBD234V12船用高速柴油機(jī)，額定轉(zhuǎn)速2 100 r/min，額定功率485 kW。

為使設(shè)計(jì)艇能得到所需的推力而達(dá)到預(yù)期航速，船、機(jī)、槳之間應(yīng)有很好的配合，即螺旋槳應(yīng)與主機(jī)功率、轉(zhuǎn)速、船型、阻力和航速相匹配，否則會(huì)因匹配不當(dāng)，功率未能得到充分發(fā)揮而造成較大的效率損失。

該艇船機(jī)槳匹配考慮如下：

首先，設(shè)計(jì)上應(yīng)留有適當(dāng)儲(chǔ)備，該艇設(shè)計(jì)選擇了在主機(jī)額定功率的基礎(chǔ)上，留有5%的功率儲(chǔ)備裕度。

其次，鑒于快艇螺旋槳進(jìn)速與艇航速基本相同，該艇的伴流系數(shù)，根據(jù)參考文獻(xiàn)[2]實(shí)取w=0.03，船身效率取1.0。

第三，受船尾線型以及螺旋槳梢隙比的要求[3]，該艇螺旋槳限制直徑0.9 m，根據(jù)螺旋槳圖譜計(jì)算最佳轉(zhuǎn)速，選取齒輪箱減速比2.545，螺旋槳盤面比AE/A0選取了1.05，螺距比P/D=1.17，螺旋槳效率η=0.646，螺旋槳與船身間隙0.18 D，尾軸傾斜度為4.77°，螺旋槳外旋。螺旋槳選用機(jī)翼型葉剖面的 B型5葉槳，其具有良好的敞水效率，采用瓦根寧根空泡限界線進(jìn)行空泡校核，尚有余量，滿足空泡要求。

經(jīng)實(shí)船航行試驗(yàn)，在額定轉(zhuǎn)速下主機(jī)功率儲(chǔ)備為6.2%，最高航速達(dá)20 kn，與設(shè)計(jì)狀態(tài)基本吻合，說(shuō)明船機(jī)槳匹配性良好。

7 結(jié)束語(yǔ)

該型交通巡邏艇快速性、適航性等方面都突出了高速圓舭艇的特點(diǎn)，特別是航速指標(biāo)在同類艇中具有較強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)，為我國(guó)交通、公務(wù)高速船型開(kāi)發(fā)提供了設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)。

參考文獻(xiàn)

[1] 王凌譯.高速排水型船的阻力預(yù)報(bào)及參數(shù)研究[M].

[2] 朱珉虎.內(nèi)河船舶設(shè)計(jì)手冊(cè)[M]. 1996.

[3] 盛振邦， 劉應(yīng)中.船舶原理[M].2004.